基于SDN的智慧云網(wǎng)研究與實踐

張志華，陳志軍（.中國聯(lián)通河北分公司，河北石家莊 05003；.河北科技大學(xué)，河北石家莊 05008）

1 概述

SDN技術(shù)是電信網(wǎng)絡(luò)中的新興技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面（用戶面）分離，底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，上層的控制設(shè)備通過軟件定義方式，以O(shè)penFlow等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議對底層設(shè)備實施轉(zhuǎn)發(fā)策略和業(yè)務(wù)控制，從而在物理網(wǎng)絡(luò)相對固定的情況下實現(xiàn)邏輯網(wǎng)絡(luò)的快速重構(gòu)。SDN整體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、SDN控制器和業(yè)務(wù)編排器3個層次。目前河北聯(lián)通的城域網(wǎng)、IPRAN以及OTN等均已不同程度地實現(xiàn)SDN化能力，網(wǎng)絡(luò)的快速部署、動態(tài)資源分配等智能化水平明顯提升。

云計算以其硬件資源物理共享、邏輯隔離、便于維護(hù)運(yùn)營的特性而快速普及，河北聯(lián)通基于各級數(shù)據(jù)中心，正在加速部署通信云和業(yè)務(wù)云2類云計算系統(tǒng)，通信云已涵蓋4G+5G移動網(wǎng)CloudEPC/5GC、中傳網(wǎng)絡(luò)CloudBBU和智能城域網(wǎng)CloudMAN等網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)云涵蓋IT網(wǎng)絡(luò)CloudIT、增值業(yè)務(wù)私有云CloudVAS以及公有/行業(yè)云CloudServ等。

SDN對網(wǎng)絡(luò)的自動化控制管理有著明顯的優(yōu)勢，對于復(fù)雜的大型云計算系統(tǒng)，云管理平臺對系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)多用戶切片控制非常弱，網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)管理存在諸多不足，直接影響云系統(tǒng)端到端業(yè)務(wù)快速開通以及云網(wǎng)一體化協(xié)同能力。

目前，河北聯(lián)通已成功將SDN技術(shù)應(yīng)用于行業(yè)云系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)快速部署、網(wǎng)絡(luò)資源快速調(diào)配及云網(wǎng)協(xié)同方面成效顯著。

2 系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計

河北聯(lián)通行業(yè)云平臺從以下3方面提供服務(wù)：

a）提供企業(yè)自身電信能力對外開放的IaaS和PaaS平臺，通過封裝的對外開放的短彩信等各類資源，為公眾用戶和企事業(yè)單位提供服務(wù)。

b）提供公眾創(chuàng)新孵化平臺，實現(xiàn)創(chuàng)新產(chǎn)品的快速研發(fā)和應(yīng)用。

c）承擔(dān)公有/行業(yè)云應(yīng)用，為各類SaaS云（如中小企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)、旅游云、醫(yī)療云、教育云、社區(qū)云等）提供基礎(chǔ)設(shè)施承載平臺。

本平臺規(guī)劃為“一朵云、兩個域”，系統(tǒng)劃分為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源域和創(chuàng)新/孵化資源域。

改造前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

改造前的系統(tǒng)存在如下問題：

圖1 改造前的行業(yè)云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

a）系統(tǒng)自動開通能力差。部署一個應(yīng)用系統(tǒng)需要手工對各級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置和調(diào)整，勞動生產(chǎn)率低且易于出錯，可維護(hù)性不高。

b）動態(tài)靈活調(diào)整能力差。單一的云管理系統(tǒng)無法對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)、整體系統(tǒng)的安全設(shè)備等進(jìn)行協(xié)同動態(tài)調(diào)整。

c）Overlay技術(shù)無法實現(xiàn)?；谟脩裟芰U(kuò)展、用戶分布、資源總體協(xié)調(diào)等因素，需要對一個應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行全云范圍的遷移和部署，目前無法滿足云上漫游的高效能需求。

d）云網(wǎng)協(xié)同無法實現(xiàn)。一方面是客戶使用的公有云中，所涉及到的全部路徑（包括用戶系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)、專線連接、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、公有云）的帶寬要求、可靠性要求、安全等級要求等無法協(xié)同調(diào)整；另一方面是網(wǎng)絡(luò)需求和云資源需求無法快速部署和提供。

e）云系統(tǒng)存在多個版本，系統(tǒng)管理能力和運(yùn)行效率需要擴(kuò)充，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求日益提高，需要構(gòu)建全10GE云網(wǎng)絡(luò)。

在行業(yè)云系統(tǒng)上實施SDN化改造，實現(xiàn)“智慧云網(wǎng)”云網(wǎng)協(xié)同能力，是本方案的目標(biāo)。改造后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后的行業(yè)云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于OpenStack架構(gòu)，系統(tǒng)在管理節(jié)點部署SDN控制器，負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)施，云管理平臺承擔(dān)SDN控制器的業(yè)務(wù)編排功能，同時實現(xiàn)對云資源的部署和管控。在節(jié)點出口處部署云化的邊界虛擬網(wǎng)關(guān)，包括虛擬防火墻、虛擬流量清洗設(shè)備、虛擬負(fù)載分擔(dān)設(shè)備、虛擬入侵檢測設(shè)備等。SDN控制器所控制的范圍包括邊界虛擬網(wǎng)關(guān)、核心/匯聚網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。系統(tǒng)通過與云平臺的高效協(xié)調(diào)，實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)與邏輯網(wǎng)絡(luò)的解耦。

節(jié)點之間的核心交換機(jī)之間部署VxLAN協(xié)議，建立大二層網(wǎng)絡(luò)，核心交換機(jī)建立VxLAN網(wǎng)關(guān)，在資源池匯聚交換機(jī)TOR上啟用VxLAN接入網(wǎng)關(guān)VTEP（Vx-LAN Tunnel End Point），在VTEP節(jié)點上完成VxLAN報文的封裝及解封，實現(xiàn)Underlay和Overlay的轉(zhuǎn)變。

在VxLAN的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)引入了控制與轉(zhuǎn)發(fā)相分離的SDN機(jī)制，新增了由SDN控制器和SDN網(wǎng)元構(gòu)成的SDN子系統(tǒng)。SDN控制器的北向接口采用RESTFUL API，與云管平臺對接，實現(xiàn)高層應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯；南向接口通過Openflow、SNMP等協(xié)議對被管理對象，包括物理設(shè)備和虛擬設(shè)備進(jìn)行控制。整體系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：

a）彈性IP服務(wù)。實現(xiàn)對云數(shù)據(jù)中心內(nèi)子系統(tǒng)的動態(tài)訪問。

b）虛擬私有云（Virtual Private Cloud）服務(wù)。構(gòu)建不同客戶系統(tǒng)的完整虛擬專網(wǎng)，并通過安全組功能提高網(wǎng)絡(luò)安全性，實現(xiàn)云上云下業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)互通。

c）虛擬安全組（Virtual Security Group）服務(wù)。支持應(yīng)用虛擬端口與指定的安全組關(guān)聯(lián)對接。

d）VPN服務(wù)。在遠(yuǎn)端用戶和云系統(tǒng)VPC之間建立一條安全加密的通信隧道，使遠(yuǎn)端用戶能通過IPSec VPN直接訪問VPC中路由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)資源。

e）標(biāo)準(zhǔn)化對接全局往來業(yè)務(wù)編排系統(tǒng)的能力，與IPRAN的Sup-O自動編排器實現(xiàn)對接。

3 應(yīng)用場景

3.1 云網(wǎng)協(xié)同場景

云網(wǎng)協(xié)同一方面是指網(wǎng)絡(luò)和云要聯(lián)動，就是云數(shù)據(jù)中心與整體網(wǎng)絡(luò)資源匹配；另一方面是針對網(wǎng)絡(luò)本身，實現(xiàn)集中策略控制、分布轉(zhuǎn)發(fā)承載，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)分配和調(diào)整，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

本文所提出的方案包含云專線接入和行業(yè)云DC兩大部分，通過為政企用戶提供統(tǒng)一的自服務(wù)門戶實現(xiàn)資源的自主選配和資源隨選，通過統(tǒng)一的編排器實現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同和資源統(tǒng)一編排（見圖3）。

圖3 云網(wǎng)協(xié)同示意圖

a）自服務(wù)門戶：為政企用戶提供統(tǒng)一的自服務(wù)界面，用戶可在自服務(wù)界面靈活選配自己需要的網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)，并下發(fā)訂單。

b）編排器：與自服務(wù)門戶對接，根據(jù)用戶選購的服務(wù)，對底層的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲資源進(jìn)行編排，為用戶提供云網(wǎng)協(xié)同服務(wù)。

c）云專線接入：通過專線接入網(wǎng)關(guān)將政企用戶接入VxLAN網(wǎng)絡(luò)。通過點到點的VxLAN隧道為政企用戶提供L2/L3專線業(yè)務(wù)，同時可通過行業(yè)云DC的Vx-LAN隧道接入行業(yè)云DC為用戶提供云專線業(yè)務(wù)。VxLAN專線的部署和管理通過SDN控制器實現(xiàn)自動化，并且與編排器對接實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動化管理。

d）行業(yè)云DC：采用SDN、NFV及云計算技術(shù)，在城域網(wǎng)內(nèi)建設(shè)行業(yè)云DC，向政企用戶提供虛擬企業(yè)網(wǎng)、CT云、IT云和其他面向政企用戶的SaaS服務(wù)或應(yīng)用系統(tǒng)。

云網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)了客戶—管道—云端全方位資源的動態(tài)按需配給，同時也實現(xiàn)了端到端的智能化快速部署，滿足了云業(yè)務(wù)快速、動態(tài)、按需、智慧的發(fā)展要求。

3.2 云云協(xié)同場景

對于具有大規(guī)模分布式要求的客戶系統(tǒng)，通過DCI連接構(gòu)建同一客戶系統(tǒng)的大二層VPC通道，在SDN自動化配置的條件下，實現(xiàn)客戶系統(tǒng)在“云間”的漫游，滿足客戶分支體系、客戶用戶分布特征體系的云間高性能分布式系統(tǒng)部署（見圖4）。方案價值如下：

a）實現(xiàn)多中心空間資源的邏輯統(tǒng)一，實現(xiàn)機(jī)房資源統(tǒng)一調(diào)度使用。

b）多中心大二層互聯(lián)幫助運(yùn)營商實現(xiàn)主機(jī)跨DC的集群，提高業(yè)務(wù)處理能力。多個機(jī)房的統(tǒng)一資源池能提高應(yīng)對業(yè)務(wù)突發(fā)的能力。

c）多中心互聯(lián)方案保障客戶可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的虛擬機(jī)遷移，增強(qiáng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可用性和部署的靈活性。結(jié)合全局負(fù)載均衡技術(shù)，為實現(xiàn)業(yè)務(wù)級容災(zāi)提供保障。

d）配合多級云方案，使客戶云平臺能夠跨DC創(chuàng)建使用IaaS資源，不受機(jī)房物理位置的限制。

4 結(jié)束語

SDN技術(shù)與云計算技術(shù)相結(jié)合，全方位（計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全）提供虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)控分離，從而達(dá)到云網(wǎng)業(yè)務(wù)及運(yùn)營可視化、自動化、智能化能力，是向“智慧云網(wǎng)”邁出的關(guān)鍵一步。本案例作為河北聯(lián)通首例SDN云，進(jìn)行了卓有成效的探索和實踐，相關(guān)經(jīng)驗將會在后續(xù)的運(yùn)營中逐步體現(xiàn)其價值。本方案在以下幾方面還有待完善：

圖4 云云協(xié)同示意圖

a）提供一站式服務(wù)，對云、網(wǎng)自動適配，告別單純的帶寬銷售模式，實現(xiàn)企業(yè)專線接入服務(wù)、云計算服務(wù)一體化銷售，提升產(chǎn)品的綜合競爭力、整體收入和用戶黏性。

b）進(jìn)一步完善編排器業(yè)務(wù)功能，提高網(wǎng)絡(luò)自動化程度和基于業(yè)務(wù)的理解能力。

c）進(jìn)一步開放自動化編排架構(gòu)，底層標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)承載，實現(xiàn)快速組織新型業(yè)務(wù)模式，推向市場，并能夠快速復(fù)制占領(lǐng)市場。

d）持續(xù)提高網(wǎng)絡(luò)可視化維護(hù)水平，降低人工干預(yù)，實現(xiàn)自動巡檢。

e）為政企用戶提供企業(yè)統(tǒng)一通信、定制云終端、應(yīng)用商店、數(shù)據(jù)備份等SaaS/PaaS/IaaS應(yīng)用，提供政企應(yīng)用的綜合信息平臺，降低用戶IT系統(tǒng)及企業(yè)信息化投入，提升企業(yè)運(yùn)行效率。